无刷直流电机的驱动与MATLAB仿真

1无刷直流电机的驱动与MATLAB仿真摘要：无刷直流电动机的最本质特征就是没有机械换向结构，取而代之的是逻辑电路和功率开关线路共同组成的电子换相器，它把直流电逆变成交流电并按一定的次序通入电动机的定子绕组中以产生与定子磁场正交的转子磁场。在使用中无刷直流电机相比有刷电机有许多的优点，比如：能获得更好的扭矩转速特；性高速动态响应；高效率；长寿命；低噪声；高转速。本文主要研究了无刷直流电机调速系统的基本方法，主要内容有无刷直流电机的基本原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，在此基础上重点研究了无刷直流电机的换相控制，并对无刷直流电动机调速系统进行设计。最后利用MATLAB\Simulink——面向电气原理结构图的仿真技术，设计了一个转速单闭环无刷直流电机可逆脉宽调速系统，对其进行仿真，并根据仿真结果分析研究无刷直流电动机。关键词：调速，PWM控制，无刷直流电动机，仿真一引言目前国内外对无刷直流电机的（BrushlessDCMotor,BLDCM）的定义有两种：一种是认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可被称为无刷直流带电机，而正弦波无刷直流电机则被称为永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）；另一种定义认为梯形波/方波无刷直流电机都是无刷直流电机。本论文采用第一种定义，仅认为反电动势波形为梯形波/方波的无刷直流电机称为无刷直流电机。目前国内外无刷直流电机的一般控制技术应经比较成熟，但日本和美国具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。特别是日本在民用方面较为突出，而美国则在军工方面更加先进。当前的研究热点主要集中在以下三个方面：①研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量；②从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制从而提高其伺服，扩大应用范围；③设计可靠小巧，通用性强的集成化无刷直流电机控制器。二无刷直流电动机原理2.1无刷直流电动机概述无刷直流电动机机属于同步电动机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场2和转子产生的磁场是同频率的，所以无刷直流电机并不会产生普通感应电机的频差现象。直流无刷电机的主要由电动机本体、位置传感器（对于位置传感器检测方法）与电子开关线路三部分组成，如图2-1所示图2-1无刷直流电动机工作原理从图2.1可见，直流无刷电动机组件主要由电动机本体位置传感器和电子开关线路三部分构成。其定子绕组一般制成多相，转子由永磁材料制成。因此平常所说的直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、电动机本体及位置传感器三部分组成的电动机系统。直流无刷电动机的组成原理框图如图2.2图2-2直流无刷电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场。不同之处在于直流无刷电动机中永久磁钢安装在转子上，而普通永磁直流电动机是将磁钢安装在定子上。构成直流无刷电动机的主要部件框图如图2.3所示。3图2-32.2有关电机本体设计的问题无刷直流电机的定子转子合称为电机本体。本体结构上与永磁同步电机相似，但没有笼形绕组和其他起动装置，其定子绕组一般制成多相，转子由永磁体以一定的极对数组成。电机本体的设计是一个很复杂的过程，其基本任务是根据给定的额定值和基本技术性能要求，选用合适的材料，确定电动机格部分的尺寸，并计算其性能，以满足节省材料、制造方便、性能良好的要求，获得较大的经济效益。本体要设计的内容很多，其中包括电磁设计、结构设计、施工设计以及工艺设计等。选择极对数应综合考虑运行性能和经济指标。下图为两极、四极和八极（p=1,2,4）内转子型无刷直流电机本体结构示意图。图2-4本体机构示意一般来说增加极对数p，可以减少每极磁通，定子轭及机座截面积可相应减小，从而减少电动机的用铁量；定子绕组的端接部分将随极数的增加而缩短，所以在同样的电流密度下，绕组的用铜量也减少了；极数增加后定子绕组电感相应减少，4这有利于电子器件换相。同时，当极数增加后，制造工艺也变复杂；极对数增加，考虑到极漏磁不能太大，极弧系数要减小，从而使电动机原材料利用率变差；增加极数，在同样的转速下，电子器件的换相次数增多，从而增加了换相损耗。当电流密度不变时，定子绕组中的铜耗岁极数的增加而降低。一般来说电动机效率随极数的增加而有所下降。所以要根据需要合理的选择电动机的极对数。三无刷直流电动机调速系统的设计这一章将根据无刷直流电动机的原理设计了直流无刷电动机控制系统，其原理框图如图3.1所示。3.1主电路供电方案选择图3-2所示电网电压一般为三相交流电，逆变桥驱动器件的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压，电容同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。图3-2直流电源设计原理图对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收5运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。本设计由于采用MATLAB/Simulink仿真平台进行电路仿真，Simulink模型库中的电力系统模型库(PowerSystemBlockset)里提供了直流、交流电源模块，因此在仿真电路设计中，可直接用直流电源代替三相不控整流直流电源。3.2逆变电路的选择脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调制变换器是采用脉冲宽度调制的一种直流斩波器。本设计采用受限单极式控制方式。如下图所示，当在两两通电的一个通电区间内逆变桥有两个属于不同桥臂的一上一下开关器件导通，其中上边的器件处于始终导通的状态，而下边的器件受PWM控制处于周期性导通状态。这种控制方式可以减小开关损耗但是当电机电流较小时会出现电流断续的现象。图3-3逆变电路3.3基于MC33035的无刷直流电动机调速系统3.3.1MC33035无刷直流电动机控制芯片MC33035是高性能第二代单片无刷直流电机控制器，它包含了开环三相或四相控制所需的全部有效功能。该器件一个用于良好整流序列的转子译码器、可提供传感器电源的带温度补偿的参考电压、频率可编程的锯齿波振荡器、三个集电极开路的顶部驱动器、以及三个非常适用于驱动大功率MOSFET的大电流推挽地步6驱动器组成。MC33035控制功能包括开环速度、正向或反向、运行使能、及阻尼式制动。MC33035设计为操作带60°/300°或120°/240°电传感器相位的无刷电机，并且还能有效地控制有刷直流电机。3.3.2基于MC33035的无刷直流电动机调速系统设计由MC33035构成的无刷直流电机开环控制系统如图3-7所示。图中功率开关器件为MOSFET管，在任意给定的一个转子位置，同时只有一个上桥臂和下桥臂开关管导通，两个导通的管子分属不同的的图腾柱。这种开关结构形式使得定子绕组的两端夹于电压和地之间，从而使电流能双向流动。在电流波形上可能出现尖峰，这种尖峰会导致限流保护误动作，因此在电流检测管脚处需要外加RC滤波器，以避免这种情况的发生。图3-4开环控制电路图3-5闭环控制电路74.1系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析Matlab是以矩阵为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能，是目前国际上最流行的控制系统计算机辅助设计软件。1992年MathWorks公司推出了交互式模型输入仿真环境SIMULINK，它可对采用方框图或微分方程描述的系统进行仿真。SIMULINK中增加了功率系统环节库(PowerSystemBlockset)，从而可以使其便地实现对电力电子系统的仿真分析。在本章中将对无刷直流电机控制系统的控制器进行分析研究，着重于无刷直流电动机的换相过程及其逻辑控制，最后用Matlab/Simulink对其进行仿真实验。当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。4.1起动，阶跃负载仿真仿真算法采用ode45，仿真参数系统默认，仿真时间0.1秒，给定转速2000，在0.03秒处加载一个大小为4的阶跃负载。仿真波形如下图4-1转速响应图4-2定子相电流，反电动势8图4-3转矩仿真结果分析：由波形可以计算得到最大超调量；上升时间；调整时间；此系统基本达到了无静差调速调速，缺点是仅为转速单闭环的控制，无法抑制电源电压的波动。因此在仿真中使用了电压固定的直流电源，没有对电源电压波动的情况进行仿真。4.2可逆调速仿真仿真算法采用ode45，仿真参数系统默认，仿真时间0.1秒，给定转速初始值为2000，在0.03秒处变为-2000，空载运行。仿真波形如下：图4-4转速9图4-5定子电流、线电压可以看出系统较好的实现了可逆调速。注意到当反转时，定子电流的峰值明显大于正转时的峰值，这是因为电机正向制动采用的是电枢反接制动的缘故。五总结本文主要利用MATLAB对转速单闭环无刷直流脉宽可逆调速系统的设计进行仿真和调试。本文主要研究了无刷直流电机调速系统的基本方法，主要内容有无刷直流电机的基本原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，在此基础上重点研究了无刷直流电机的换相控制，并对无刷直流电动机调速系统进行设计。本设计中，调速是系统的主要功能，通过研究无刷直流电动机的运行原理，设计了基于霍尔位置传感器的换相逻辑电路，并利用MC33035和MC33039设计了一种无刷电动机的驱动方案。为了使系统能保证稳定的前提下实现转速无静差，且能够快速起制动，设计采用了转速单闭环控制。最后，通过计算机仿真软件MATLAB对系统进行了仿真，通过对波形的分析验证设计方案的可行性以及分析了无刷直流电动机的特点。本系统的不足之处是仅采用了转速单闭环控制，因此对电网电压波动没有抑制作用。从仿真结果可以看出无刷直流电机的转矩波动非常明显，这不但会产生噪声和振动问题，而且影响这个系统的性能，从而降低电机的使用寿命和驱动系统的可靠性，制约其在高精度、高稳定性场合的应用。抑制无刷直流电机的转矩波动是本领域研究的重点和难点。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。10六参考文献[1]陈伯时，电力拖动自动控制系统。机械工业出版社，2003[2]夏长亮，无刷直流电机控制系统。科学出版社，2009[3]郭庆鼎，赵希梅，直流无刷电动机原理与技术应用。中国电力出版社，2008[4]陈因，电力电子技术实训教程。重庆大学出版社，2007[6]顾绳谷，电机及拖动基础。机械工业出版社，2008[8]王果，朱大鹏，直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真，电机技术，2005年第3期